钴掺杂对钼基单晶高温合金铝化物涂层在Na2SO4-NaVO3熔盐中热腐蚀行为的影响机制研究

为解决航空发动机涡轮叶片在含硫钒熔盐环境中的热腐蚀问题，四川航大新材料有限公司研究人员系统研究了钴掺杂铝化物涂层在750°C/900°C下对75wt.% Na2SO4+25wt.% NaVO3的抗腐蚀性能。研究发现钴掺杂通过形成CoO/CoAl2O4/Al2O3多层氧化结构，显著抑制VO3-渗透和Mo扩散，为高钼合金防护涂层设计提供新思路。

　　

在航空发动机和工业燃气轮机的极端工作环境下，涡轮叶片等关键部件长期面临高温熔盐腐蚀的严峻挑战。特别是使用低品位燃料时，Na₂SO₄与NaVO₃形成的复合熔盐会加速材料失效，其中钒酸盐通过溶解保护性Al₂O₃氧化层，而钼(Mo)元素在高温下形成挥发性MoO₃进一步加剧腐蚀。传统铝化物涂层虽能提供基础防护，但对含钒熔盐的抗腐蚀性能不足，亟需开发新型改性涂层。

四川航大新材料有限公司的研究团队针对IC21钼基单晶高温合金（Mo含量7-11wt.%），创新性地采用化学镀钴结合气相渗铝工艺制备钴改性铝化物涂层(CA)，并与常规铝化物涂层(NA)进行对比研究。通过系统分析750°C和900°C下75wt.% Na₂SO₄+25wt.% NaVO₃环境中的腐蚀动力学和微观结构演变，揭示了钴掺杂的多重防护机制。相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

研究采用化学镀钴（DMAB还原剂）在IC21合金表面沉积3-5μm钴层，经950°C真空热处理后进行10小时气相渗铝。通过X射线荧光测厚确保镀层均匀性，并采用XRD、SEM-EDS、EPMA和拉曼光谱等手段表征腐蚀产物的相组成、元素分布及残余应力。热腐蚀实验采用0.06-0.08mg/cm²盐膜密度，通过循环称重法记录质量变化。

3.1 初始微观结构
CA涂层呈现独特的27μm双层结构：外层为β-(Ni,Co)Al相，内层为含5at.%钴的γ'-Ni₃Al，显著抑制了Mo向外扩散（Mo仅存在于互扩散区），而NA涂层中Mo扩散深度达20μm。

3.2 腐蚀动力学
750°C时CA涂层的质量增加仅为NA的25%，且抛物线速率常数降低97.5%；900°C下CA涂层保持40小时保护性氧化（NA仅10小时），最终质量损失减少70%。拉曼分析显示CA涂层表面α-Al₂O₃含量更高，且残余应力从拉伸态转变为3.6倍大小的压应力，有效抑制氧化层剥落。

3.3 750°C腐蚀机制
EPMA证实CA涂层形成CoO/CoAl₂O₄/Al₂O₃三层结构，其中CoO与VO₃^-反应生成Co₂V₂O₇，阻断钒渗透路径；而NA涂层中硫/钒沿Al₂O₃晶界快速内扩散导致深层腐蚀。

3.4 900°C腐蚀机制
高温下CA涂层仍维持多层氧化结构，但Mo向外扩散加剧。热力学计算显示钴使Al的迁移率降低两个数量级，Mo扩散率下降50%，有效缓解酸性熔融机制。

该研究创新性地揭示了钴掺杂通过三重机制提升抗腐蚀性能：促进α-Al₂O₃快速成膜、形成钒渗透阻挡层、抑制Mo有害扩散。特别是CoO与VO₃^-的优先反应，将腐蚀性钒固定在氧化层外部，为设计高钼合金防护涂层提供了理论依据。实际应用中，化学镀钴工艺可处理复杂内腔结构，具有显著的工程应用价值，已成功应用于某型涡轮叶片制造。未来研究可进一步优化钴含量与热处理制度，平衡涂层力学性能与腐蚀抗力的协同提升。